Kyslík je pro život nepostradatelný a kromě některých anaerobů
Sep 27, 2022
Prosím kontaktujteoscar.xiao@wecistanche.comPro více informací
Abstraktní:Jedním z převládajících názorů na stárnutí buněk a organismů je intracelulární postupná akumulace oxidativně poškozených makromolekul vedoucí k poklesu funkce buněk a orgánů (teorie volných radikálů stárnutí). Tento chemicky nedefinovaný materiál známý jako "lipofuscin", ceroid" nebo "stáří pigment" je tvořen hlavně neregulovanými a nespecifickými oxidačními modifikacemi buněčných makromolekul, které jsou indukovány vysoce reaktivními volnými radikály. Nezbytný předpoklad pro tvorbu reaktivních volných radikálů a tvorbu lipofuscinu je intracelulární dostupnost železnatého železa (Fe2 plus ) („labilní železo“), které katalyzuje přeměnu slabých oxidantů, jako jsou peroxidy, na extrémně reaktivní, jako jsou hydroxylové (HO*) nebo alkoxylové (RO) radikály. Pokud oxidované materiály zůstanou neopravené po delší dobu, mohou být dále oxidovány za vzniku konečných přeoxidovaných produktů, které nejsou schopny opravit, degradovat nebo exocytovat příslušnými buněčnými systémy. Navíc mohou přeoxidované materiály inaktivovat buněčnou ochranu a opravné mechanismy, což umožňuje marné cykly stále rychlejší akumulace lipofuscinu.V tomto přehledovém článku předkládáme důkazy, že modulace distribuce labilního poolu železa nutričními nebo farmakologickými prostředky představuje dosud nedoceněný cíl pro brzdění akumulace lipofuscinu a buněčného stárnutí.
klíčová slova:mechanismy stárnutí; bioaktivní dietní sloučeniny; buněčné stárnutí; volné radikály; činidla chelatující železo; labilní železo; středomořská strava; oxidační stres
1. Úvod
Přirozené stárnutí představuje proces, na kterém se podílí mnohočetné degenerativní molekulární mechanismy, které vedou k postupnému obecnému poklesu funkcí orgánů. Stárnutí je doprovázeno fenotypovými změnami souvisejícími s genetickými i epigenetickými faktory, které v konečném důsledku způsobují strukturální dezorganizaci, funkční úpadek a zvýšenou pravděpodobnost onemocnění a úmrtí. Lze si představit, že objasnění základních komplexních biochemických mechanismů, které určují rychlost biologického stárnutí, by mělo mít nejvyšší klinický význam [1].
Nejatraktivnější teorií pro vysvětlení procesu stárnutí je takzvaná „teorie stárnutí volných radikálů“, kterou v roce 1956 navrhl Denham Harman [2]. Tato teorie naznačuje, že některé reaktivní volné radikály odvozené od kyslíku generované v aerobních buňkách mohou uniknout dohledu ochranných obranných mechanismů, což vede k nespecifické oxidaci všech základních buněčných složek (proteinů, lipidů, nukleotidů, sacharidů atd.) .
Buňky vyvinuly sofistikované systémy, které dokážou jak rychle odstraňovat oxidanty odvozené od kyslíku, tak detekovat a opravovat jejich oxidativně poškozené složky. V případech zvýšeného a dlouhotrvajícího oxidačního stresu však může schopnost buněk opravit své poškozené části dosáhnout nasycení, což umožní další oxidaci již zoxidovaných složek a akumulaci přeoxidovaného neopravitelného materiálu uvnitř buňky. Tento jev způsobuje modifikace celkové buněčné struktury a zpochybňuje normální buněčnou funkci, jak je patrné při stárnutí a senescenci [3].
Přesné molekulární mechanismy, které jsou základem tvorby vysoce reaktivních volných radikálů, které jsou schopny poškozovat buněčné složky a podporovat akumulaci neopravitelného materiálu, zůstávají nedostatečně pochopeny. Objasnění těchto mechanismů by jistě mělo poskytnout užitečné nápady a molekulární nástroje k zásahu do procesu stárnutí a pravděpodobně k prevenci rozvoje nemocí souvisejících se stárnutím [4].
Nezbytným předpokladem pro produkci vysoce reaktivních volných radikálů uvnitř buněk je dostupnost železnatých iontů (Fe2 plus ), které mohou katalyzovat přeměnu slabých oxidantů, jako jsou peroxidy, na extrémně reaktivní, jako je hydroxyl(HO) nebo alkoxyl (RO). radikálů.extrakt z cistanche tubulosaTato část buněčného železa představuje malé procento celkového buněčného železa a obvykle se nazývá „labilní železo“5,6]. Vyčerpání nebo redistribuce intracelulárního labilního železa exogenními sloučeninami tedy může snížit tvorbu škodlivých reaktivních radikálů v případě zvýšeného oxidačního stresu a zabránit oxidaci a nadměrné oxidaci buněčných složek. Je zajímavé, že ve středomořské stravě bylo prokázáno, že je přítomno velké množství bioaktivních sloučenin chelatujících železo |7-10. Navíc bylo prokázáno, že když se tyto látky dostanou do nitra buňky, chrání buňky před poškozením v podmínkách oxidačního stresu [11,12].
V tomto přehledovém článku se zaměřujeme na popis chemických interakcí, které přispívají k oxidaci a nadměrné oxidaci buněčných složek. Zvláštní pozornost je věnována klíčové roli labilního železa (redox-aktivní železo) v těchto procesech, stejně jako potenciálnímu zapojení bioaktivních látek chelatujících železo v potravě při kontrole hladiny a/nebo prostorové distribuce intracelulárního labilního železa.
2. Druhy reaktivního kyslíku a koncept oxidačního stresu
2.1. Paradox kyslíku/genu
Kyslík je pro život nepostradatelný a kromě některých anaerobů potřebují kyslík ke svému růstu všechna zvířata, rostliny a bakterie. Hlavní funkcí kyslíku v aerobech je sloužit jako terminální akceptor elektronů v konečném kroku mitochondriálního elektronového transportního řetězce, který představuje klíčový proces oxidativního katabolismu produkujícího energii. Chemické vlastnosti kyslíku jej však předurčují k tvorbě vysoce reaktivních kyslíkových meziproduktů, které mohou oxidovat základní buněčné složky, čímž ohrožují buněčnou a potažmo i organismickou homeostázu. Vzniká tedy zvláštní paradox: kyslík je pro aeroby nepostradatelný, zatímco jeho metabolické vedlejší produkty jsou nevyhnutelné a potenciálně toxické. Je zřejmé, že k produkci a odstraňování těchto druhů neustále dochází v buňkách, což je udržuje na bazálních netoxických úrovních [5]. Za určitých okolností však může být tato jemně regulovaná rovnováha narušena. Pokud rychlost jejich tvorby převyšuje rychlost jejich odstraňování, koncentrace v ustáleném stavu by měly být zvýšeny, čímž se zvyšuje pravděpodobnost vzniku potenciálně škodlivých reaktivních volných radikálů, stavu známého jako „oxidační stres“[13,14].
V této části poskytujeme stručný popis konceptu „oxidačního stresu“ založeného na biochemických mechanismech intracelulární tvorby a odstraňování reaktivních látek přeměněných na peroxid vodíku (H, O,) pomocí superoxiddismutáz (SOD) (obrázek 1A). . Vzniklý H2O2 lze dále redukovat, buď enzymaticky dvěma elektrony na H2O nebo neenzymaticky jedním elektronem, což vede k produkci extrémně reaktivních hydroxylových radikálů (HO*). Druhá reakce vyžaduje dostupné železnaté železo (Feplus) a je známá jako „Fentonova reakce“[15].
Kromě H a O se také normálně generují lipidové hydroperoxidy (LOOH) působením enzymu "lipoxygenázy" (LOX) (obrázek 1B). Za odstranění přebytečných LOOH je zodpovědná specifická membrána vázaná „glutathionperoxidáza 4“ (Gpx4) [16]. Podobně jako H2O2 mohou LOOH interagovat s Fe7, což vede ke vzniku vysoce reaktivních lipidových alkoxylových radikálů (LO*s). Tyto druhy mohou dále podporovat řetězové reakce, které zintenzivňují proces peroxidace lipidů a produkci aldehydů jako konečných stabilních produktů. Je zajímavé, že nedávno bylo prokázáno, že nesprávná funkce Gpx4 v kombinaci se zvýšenými hladinami dostupného Fe2 plus vždy vede k odlišnému typu regulované buněčné smrti zvané „ferroptóza“[17].
Všechny výše uvedené meziprodukty redukce O, se souhrnně nazývají reaktivní formy kyslíku (ROS). Je však třeba zdůraznit, že pojem ROS sám o sobě obsahuje vnitřní rozpor, protože zahrnuje jak slabé oxidanty, jako je O,- a H, O, tak extrémně reaktivní, jako je stupeň HO a RO·[5].recenze cistanche tubulosa,Navíc zvýšení ROS v podmínkách oxidačního stresu není u všech těchto druhů současné, ale generování stupně reaktivního HO a RO· závisí na přítomnosti nebo nepřítomnosti železnatého železa. Z výše uvedených úvah je zřejmé, že přítomnost dostupného labilního železa hraje klíčovou roli při tvorbě vysoce reaktivních volných radikálů za podmínek zvýšené rychlosti tvorby hydroperoxidů (oxidační stres). Řízení koncentrace dostupného Fe2 plus tedy vzniklo jako racionální strategie pro účinnou ochranu buněk v podmínkách oxidačního stresu[18]. Taková strategie by měla primárně směřovat k zabránění generování HO a RO spíše než k jejich vychytávání poté, co se vytvoří, což se zdá nemožné kvůli jejich vysokorychlostním reakčním konstantám.
2.3. Mechanismy generování a odstraňování ROS
Částečnou redukci O2 lze usnadnit aktivací několika mechanismů v savčích buňkách [14]. Nejvýznamnějším faktorem z kvantitativního hlediska je enzym NADPH oxidáza 2 (Nox2), který se nachází na plazmatické membráně profesionálních fagocytů. Když je aktivován, Nox2 může produkovat nadměrné množství O," a mnoho dalších reaktivních druhů [19], jejichž cílem je zabít napadající cizí mikroorganismy v místech zánětu a infekcí. Za těchto podmínek jsou profesionální fagocyty přitahovány a aktivovány, což vede k dramatickým zvýšení spotřeby O2 (asi 100krát), což je skutečnost, která se obvykle nazývá „respirační“ nebo „oxidační“ vzplanutí. Produkovaný O2*-může spustit spuštění několika složitých biochemických drah, které vedou k další tvorbě silných oxidantů, které jsou schopny uhasit potenciální mikrobiální vetřelce [20,21]. Kromě Nox2 může několik dalších členů rodiny oxidáz NADPH (Nox1, Nox3-5 a DUOX1-2) vytvářet omezené množství O{{17} } při aktivaci, hlavně pro účely signalizace [22].
Mitochondrie jsou také hlavním intracelulárním zdrojem reaktivních kyslíkových meziproduktů. Komplexy přenosu elektronů – zejména komplex I a komplex v dýchacím řetězci – mohou propouštět elektrony na O, který je částečně redukován na O," [23,24]. Kromě toho mohou být reaktivní vedlejší produkty odvozené od kyslíku generovány z interakcí s exogenními zdroji, jako je znečištění životního prostředí, léky, ionizace, sluneční záření a živiny (obrázek 1A).
Během evoluce si aerobní buňky vyvinuly sofistikované antioxidační obranné mechanismy, aby rychle eliminovaly kontinuálně generované slabé oxidanty odvozené od kyslíku, jako je O a H20. na podmínky oxidačního stresu[25]. O2 je tedy rychle přeměněn na H, O prostřednictvím SOD, zatímco H, O může být eliminován enzymy, jako jsou katalázy (Cats), Gpx a peroxiredoxiny (Prx) (obrázek 1A). O- a HO, které představují jedno- a dvouelektronové redukční produkty kyslíku, jsou středně reaktivní a mohou přímo interagovat pouze s omezeným počtem buněčných molekul, zejména železo-síra(4F-4 S) proteiny obsahující klastr, což vede k uvolnění labilního železa a modulaci aktivity odpovídajících proteinů[26]. Naopak HO a RO, které vznikají po interakci H2O2 nebo ROOH s Fe2 plus, vykazují extrémně vysokou reaktivitu. Ve skutečnosti je HO· považována za jednu z nejreaktivnějších molekul produkovaných v živých buňkách, protože je schopna okamžitě a bez rozdílu oxidovat jakoukoli chemickou skupinu, která se nachází v blízkosti jejího vzniku (reaktivita řízená difúzí)[5]. Nezbytným parametrem pro tvorbu HO*s a RO*s je současná přítomnost zvýšených hladin H, O nebo ROOH s Fe2 plus po adekvátní dobu [27].
2.4. Redoxní signalizace
Je zajímavé, že příroda již využila výše diskutovaných elementárních faktů a během evoluce vyvinula adaptivní mechanismy k ochraně buněk v podmínkách zvýšené tvorby peroxidů. Pomocí pečlivých sledovacích systémů pro detekci dostupných hladin cytosolového železa pomocí specifických senzorů IRP1 a IRP2 (proteiny regulující železo 1 a 2) a ve spolupráci se zánětlivými a infekčními signály mohou buňky jemně upravit stávající rovnováhu mezi peroxidovým tónem a labilitou. dostupnost železa [5,28]. Když se hladiny peroxidu zvýší, např. v případě zánětu nebo infekce, rychlá a silná indukce feritinu eliminuje dostupné železo [10,11] a zabraňuje tvorbě škodlivých HO nebo RO*.cistanche UKV případech intenzivního a dlouhodobého oxidačního stresu však může být celková ochranná kapacita buněk přemožena, což vede k přenosu řady různých signálů, včetně signálů programované buněčné smrti, buď apoptózou, nebo nekrózou [10,29] .
Následky vyvolané, když jsou buňky vystaveny peroxidům, jsou zjevně do značné míry závislé na typu buněk, stejně jako na úrovni, povaze, trvání a umístění generovaných oxidantů. Buněčné odezvy se mohou pohybovat od adaptace po senescenci a apoptotickou nebo nekrotickou smrt [30-34]. Je zajímavé, že v několika případech přenosu signálu zprostředkovaného oxidačním stresem (redoxní signalizace) se ukázalo, že labilní železo se podílí na odpovídajících mechanismech. Nedávno jsme například ukázali, že labilní železo bylo vyžadováno pro aktivaci osy ASK1-JNK/p38 [10,29], což vedlo k apoptotické buněčné smrti v buňkách Jurkat vystavených H, O. Je důležité si uvědomit, že HO2 volně difunduje přes biologické membrány a může se dostat do okolních zdravých buněk a tkání, čímž na ně působí oxidační stres. Na druhé straně stejná vlastnost umožňuje H, O působit jako signální molekula autokrinním a parakrinním způsobem.
2.5. Labilní železo a jeho klíčová role v toxicitě vyvolané oxidačním stresem
Železo je nezbytným prvkem pro živé buňky a organismy, protože se účastní různých biochemických funkcí včetně transportu kyslíku, buněčného dýchání, syntézy a opravy DNA a několika dalších enzymatických reakcí [28,35]. Navzdory svému výsadnímu postavení v živé hmotě se však železo účastní škodlivých reakcí vytvářejících volné radikály známých jako reakce Fentonova typu, ve kterých se H2O2 přeměňuje na vysoce reaktivní stupeň HO přes ferryl/preferované meziprodukty (reakce 1).
Reakce 1: Fe2 plus H2O2→ ferryl/peryl meziprodukty → Fe3 plus plus stupeň HO plus OH-Je zřejmé, že ačkoli je dostatečný příjem železa nezbytný pro zdraví, nadbytek železa je současně potenciálně nebezpečný pro buňky a tkáně[36]. Přísná regulace homeostázy železa (získávání, používání a detoxikace) je tedy zásadní, aby se zabránilo jak nedostatku železa, tak přetížení. Tuto potřebu naplňují sofistikované mechanismy, které si savci vyvinuli, aby plnili životní funkce a uspokojovali své metabolické potřeby železa a zároveň minimalizovali jeho toxicitu [37]. Většina železa v těle je skutečně udržována v redoxně inertním stavu. V oběhu je železo pevně vázáno v nosiči železa transferinu, zatímco většina intracelulárního železa je buď dobře chráněna v aktivních místech enzymů, nebo je bezpečně uložena ve feritinu. Malá část nechráněného železa obvykle označovaného jako „labilní“ nebo „chelátové“ železo je však redoxně aktivní, což znamená, že může katalyzovat tvorbu stupně H202 prostřednictvím reakcí Fentonova typu [6,38].
Vyslovit přesnou definici labilního železa je poměrně obtížné. Obvykle se označuje jako frakce železa, která je schopna katalyzovat tvorbu HO· a RO po interakci s peroxidy, a navíc může být sekvestrována sloučeninami se slabou chelatační schopností [6]. Zdá se, že labilní železo, které je přítomno v biologickém materiálu, může být spojeno s nízkoafinitními vazebnými místy v makromolekulách (jako jsou polynukleotidy jako DNA a RNA, proteiny a lipidy) a/nebo s nízkomolekulárními sloučeninami obsahujícími kyslík, dusík a síry do jejich struktury [39-41].
Labilní železo připojené k membránovým fosfolipidům tedy katalyzuje iniciaci a propagaci řetězových reakcí peroxidace lipidů, které mohou zprostředkovat nekrotické a feroptózní typy buněčné smrti [5]. Na druhou stranu železo spojené s DNA může vyvolat mutace nebo jedno- a dvouvláknové zlomy [42], zatímco železo volně připojené k proteinům může podporovat H2O2-závislou redox signalizaci [10,29,43].
Labilní železo není rovnoměrně distribuováno v různých buněčných kompartmentech, přičemž mitochondrie a lysozomy obsahují vyšší množství než cytosol a jádro [44,45] Tyto dvě organely jsou tedy extra citlivé v případech zvýšené difúze peroxidů v jejich nitru. Zdá se pravděpodobné, že specifické mechanismy vyžadující energii jsou zodpovědné za řízení správných gradientů železa mezi různými buněčnými kompartmenty.
Zde je třeba zdůraznit, že další přechodné kovy, jako je měď a nikl, mohou také katalyzovat tvorbu reaktivních volných radikálů z odpovídajících peroxidů ještě účinněji než železo. Tyto kovy se však nacházejí ve velmi nízkých hladinách a bezpečně chelatované v buňkách, takže nepředstavují žádné riziko ani nebezpečí [42,46,47], s výjimkou několika speciálních případů patologických stavů.
3. Oxidační stres a stárnutí: Role labilního železa
Nárůst průměrné délky lidského života v moderních společnostech s sebou přinesl problémy stárnutí, spojené s následným zvýšením celkové zátěže případů nemocnosti. Vzhledem k rostoucímu dopadu stárnutí na populaci bylo v posledních několika desetiletích vynaloženo intenzivní výzkumné úsilí zaměřené na objasnění hlavních biochemických mechanismů tohoto procesu [4]. Je rozumné očekávat, že skutečný pokrok v tomto směru by měl otevřít nové možnosti pro vývoj nových strategií prevence nebo dokonce léčby nemocí souvisejících s věkem.
3.1. Teorie volných radikálů stárnutí
Nejpopulárnějším vysvětlením molekulárního základu stárnutí je takzvaná "teorie stárnutí volných radikálů." Tato teorie byla poprvé navržena v 50. letech 20. století americkým gerontologem Denhamem Harmanem [2], který prohlásil, že "stárnutí a degenerativní onemocnění" s tím spojené jsou v zásadě připisovány škodlivým vedlejším útokům volných radikálů na buněčné složky a na pojivové tkáně." Podle této teorie vznikají reaktivní volné radikály in vivo jako vedlejší produkty enzymatických reakcí, které jsou katalyzovány stopovými přechodnými kovy, jako je železo.cistanche wirkungV té době se generace volných radikálů in vivo setkala se skepsí, protože tyto druhy byly považovány za stejně škodlivé a neslučitelné se životem. Nicméně objev skutečné reakce katalyzované enzymem SOD, kterou provedli McCord a Fridovich v roce 1969 [48], odhalil existenci intracelulárního enzymu, který jako substrát využívá O2*-, volný radikál odvozený od kyslíku, což poskytuje přesvědčivé důkazy o generování volných radikálů v aerobních buňkách poprvé. Tento objev přinesl teorii volných radikálů stárnutí do nové éry. O několik let později bylo zaměření na primární místo tvorby endogenního oxidantu přesunuto do mitochondrií 49] a Harmanova teorie se rozšířila na „teorii stárnutí mitochondriálních volných radikálů“[50].
Na podporu této teorie důkazy, které se nashromáždily v průběhu příštích desetiletí, ukázaly, že vysoce reaktivní oxidanty generované redoxními reakcemi mají schopnost nespecificky oxidovat všechny buněčné makromolekuly, což vyvolává strukturální modifikace, které vedou k expozici hydrofobních povrchů a následné tvorbě agregátů. 34]. Kromě toho interakce radikál-radikál, stejně jako tvorba vazby Schiffovy báze a Michaelovy adice, přispívají ke kumulativnímu fixnímu makromolekulárnímu poškození v průběhu času |51,52|.
Analýzy různých vzorků lidské čočky a lidského mozku získaných z pitev/biopsií, lidských dermálních fibroblastů v tkáňových kulturách a potkaních jater a celých much odhalily, že karbonylované proteiny, markery těžkého a chronického oxidačního stresu, byly dramaticky zvýšeny poslední třetina života [53,54].citrusové bioflavonoidyOxidační poškození buněčných složek je také v souladu s dalšími charakteristickými znaky stárnutí, včetně ztráty regenerativních buněčných populací především v důsledku buněčné smrti a stárnutí, stejně jako změněné buněčné komunikace a genomové nestability [55].
Celkově vzato se obecně uznává, že akumulace oxidačního poškození buněčných makromolekul představuje hlavní příčinu stárnutí a chronických onemocnění souvisejících s věkem. Je tedy možné navrhnout, že změny, které jsou schopny modulovat rychlost tvorby vysoce reaktivních oxidantů, mohou hrát rozhodující roli v modulaci podpory procesu stárnutí.
Tento článek je extrahován z Antioxidants 2021, 10, 491. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants
